KR101847918B1 - 모션 인식 밴드를 이용한 재활운동 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 사용자의 팔에 착용할 수 있는 복수의 모션 인식 밴드를 이용하여 게임을 기반으로 자발적으로 운동할 수 있도록 한 후 사용자의 운동범위를 정확하게 측정 및 평가하여 재활 치료사의 도움 없이도 가정 등에서 상시적으로 재활 운동을 할 수 있도록 하는 모션 인식 밴드를 이용한 재활운동 방법 및 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 시스템은, 사용자의 손목이나 팔에 착용하여 사용자의 상지 움직임을 감지하기 위한 복수의 모션 인식 밴드; 및 상기 모션 인식 밴드와 무선으로 통신하여 사용자의 상지 움직임을 동작가능범위(ROM: Range Of Motion)와 상대경계영역(RSA: Relative Surface Area)으로 측정 및 평가하여 사용자에게 적합한 재활운동을 추천하는 호스트 디바이스를 포함하고, 상기 모션 인식 밴드는 자이로 센서와 가속도 센서와 지자계 센서로 이루어져 사용자의 모션을 감지하기 위한 관성센서와, 좌측 상지 운동인지 우측 상지 운동인지를 입력하기 위한 스위치 패널과, 상기 셋톱박스와 통신하기 위한 통신수단과, 상기 관성센서의 감지 데이터를 입력받아 필터링 후 소정의 알고리즘에 따라 오일러 각을 산출하여 좌/우 상지 정보와 함께 패킷으로 조립하여 상기 통신수단을 통해 상기 셋톱박스로 전송하기 위한 마이크로컨트롤러로 구성된다.

Description

모션 인식 밴드를 이용한 재활운동 방법 및 시스템{REHABILITATION METHOD AND SYSTEM FOR USING MOTION SENSING BAND}
본 발명은 재활 운동 방법 및 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사용자의 팔에 착용할 수 있는 복수의 모션 인식 밴드를 이용하여 게임을 기반으로 자발적으로 운동할 수 있도록 한 후 사용자의 운동범위를 정확하게 측정 및 평가하여 재활 치료사의 도움 없이도 가정 등에서 상시적으로 재활 운동을 할 수 있도록 하는 모션 인식 밴드를 이용한 재활운동 방법 및 시스템에 관한 것이다.
최근 노령화로 인한 노인인구가 증가함에 따라 뇌졸중 사용자의 수가 급상승하고 있다. 뇌졸중(腦卒中; stroke)은 뇌기능에 부분적 또는 전체적으로 급속히 발생한 장애가 상당 기간 이상 지속되는 것으로, 뇌혈관의 병 이외에는 다른 원인을 찾을 수 없는 상태를 일컫는다. 뇌졸중은 뇌혈관이 막혀서 발생하는 뇌경색(허혈성 뇌졸중)과 뇌혈관의 파열로 인해 뇌 조직 내부로 혈액이 유출되어 발생하는 뇌출혈(출혈성 뇌졸중)을 통틀어 일컫는 말이다.
통상 뇌졸중의 치료는 대학병원에서 이루어지는 초기의 급성기 치료와 급성기 치료가 끝날쯤 대학병원에서 이루어지는 집중재활치료, 재활전문병원에서 이루어지는 재활치료, 만성단계에서 요양시설이나 가정 등에서 이루어지는 재활치료 등으로 이루어지는데, 재활치료시설의 미비나 재활 치료사에 의한 고가의 재활치료비 등으로 재활치료가 원활하게 이루어지지 못하고 있는 실정이다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 다양한 재활치료 기구들이 개발되고 있으나 대부분 무게와 부피가 커 휴대하기가 어렵고, 비용이 비싸 병원 등의 전문기관에서만 한정적으로 사용되고 있으며, 대중적으로 보급되지 못하고 있는 실정이다.
또한 종래의 재활 목적의 프로그램이나 기능성 재활 게임 장치는 기존의 키넥트와 같은 카메라 기반 재활게임이나 자이로스코프 센서를 착용하고 장치 이용자의 동작에 의해 장치와 연결되어 있는 화면상에 동작을 표시하는 장치로서, 신체의 어느 한 분절의 움직임이나 신체의 어느 한 관절에 국한되어 단방향적인 운동 성격을 가지므로 장치 이용자의 삼차원적인 움직임을 수행하기 어려운 문제점이 있다.
그리고 기존의 재활 치료 방식은 사용자에게 시간적, 경제적으로 부담을 줄 뿐만 아니라, 장기간 재활 치료가 필요한 사용자에게는 재활 치료에 대한 거부감을 들게 할 수 있고, 재활치료사나 보조원의 도움으로 재활 치료가 수행될 경우 사용자가 재활 치료를 수동적으로 참여하게 되므로 높은 재활 치료 효과를 기대하기 어려우며, 사용자는 자신이 수행한 재활 치료에 대한 결과를 즉각 피드백 받지 못하므로 자신의 회복 정도를 정확하게 파악하기 힘든 문제점이 있다.
예컨대, 대한민국 특허청 등록특허공보에 등록번호 10-1267118호로 공고된 '글러브 센서를 이용한 모션인식 가상현실 재활훈련장치'는 컴퓨터 본체와, 컴퓨터 본체 위의 프레임에 설치된 카메라(PC CAM)와, 카메라를 통해 촬상되는 모션을 캡쳐하여 디스플레이하는 프로그램 디스플레이부와, 카메라로 촬영될 수 있는 위치에 서있는 사용자의 손에 끼워져 촉각과 고유수용성 감각을 사용자가 느낄 수 있도록 모션을 인식하는 글러브센서로 이루어져 뇌졸중, 치매, 노인의 특정 신체 일부 또는 전체가 카메라를 통해 모션 인식으로 캡쳐되어 TV나 컴퓨터 모니터에 이미지 표상으로 나타나게 하여 가상공간에서 주어지는 다양한 콘텐츠(운동조절, 상황인식, 실행기능, 인지훈련)를 수행하여 재활훈련을 하는 것이다.
또한 대한민국 특허청 공개특허공보에 공개번호 10-2014-0054197호로 공개된 '사용자에 의해 관리되는 물리 재활치료를 증강시키기 위한 비침습적 모션 추적 시스템, 장치, 및 방법'은 모션 추적 장치, 디스플레이, 및 이 모션 추적 장치와 디스플레이에 연결된 컴퓨팅 플랫폼을 통해 사용자에 의해 관리되는 물리 치료를 증강시키기 위한 기술이 개시되어 있다.
KR 10-2014-0054197 A KR 10-1267118 B1 KR 10-1381134 B1 KR 10-1563298 B1
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 사용자의 손목이나 팔에 착용할 수 있는 복수의 모션 인식 밴드를 이용하여 게임을 기반으로 자발적으로 재활운동할 수 있도록 한 후 사용자의 운동범위를 정확하게 측정 및 평가하여 재활 치료사의 도움 없이도 가정 등에서 상시적으로 재활 운동을 할 수 있도록 하는 모션 인식 밴드를 이용한 재활운동 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 시스템은, 사용자의 손목이나 팔에 착용하여 사용자의 상지 움직임을 감지하기 위한 복수의 모션 인식 밴드; 및 상기 모션 인식 밴드와 무선으로 통신하여 사용자의 상지 움직임을 동작가능범위(ROM: Range Of Motion)와 상대경계영역(RSA: Relative Surface Area)으로 측정 및 평가하여 사용자에게 적합한 재활운동을 추천하는 호스트 디바이스를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 호스트 디바이스는 디스플레이 수단을 갖는 컴퓨터 단말이나 디스플레이 수단에 연결되는 셋톱 박스 형태로 이루어질 수 있고, 상기 모션 인식 밴드는 자이로 센서와 가속도 센서와 지자계 센서로 이루어져 사용자의 모션을 감지하기 위한 관성센서와, 좌측 상지 운동인지 우측 상지 운동인지를 입력하기 위한 스위치 패널과, 상기 셋톱박스와 통신하기 위한 통신수단과, 상기 관성센서의 감지 데이터를 입력받아 필터링 후 소정의 알고리즘에 따라 오일러 각을 산출하여 좌/우 상지 정보와 함께 패킷으로 조립하여 상기 통신수단을 통해 상기 셋톱박스로 전송하기 위한 마이크로컨트롤러로 구성된다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 방법은, 사용자의 손목이나 팔에 착용하여 사용자의 상지 움직임을 감지하기 위한 복수의 모션 인식 밴드와, 상기 모션 인식 밴드와 무선으로 통신하여 사용자의 상지 움직임을 동작가능범위(ROM: Range Of Motion)와 상대경계영역(RSA: Relative Surface Area)으로 측정 및 평가하여 사용자에게 적합한 재활운동을 추천하는 호스트 디바이스로 이루어진 재활운동 시스템의 재활운동 방법에 있어서, 상기 호스트 디바이스가 최초 사용자일 경우 아이디(ID)를 설정하고 ROM/RSA를 측정하여 분석 및 평가한 후 재활운동을 추천하는 단계; 사용자의 선택에 의해 재활운동이나 재활운동 게임을 실행하는 단계; 재활운동 중이나 재활운동 게임 중 측정 과정에서 호스트 디바이스가 제1 모션 인식 밴드에 송신명령을 전달하면, 상기 제1 모션 인식 밴드가 센서값을 읽어 DCM 필터링 후 공간분할하여 공간에 따라 오일러 각을 산출한 후 밴드 주소, 오일러 각, 택 스위치 값을 상기 호스트 디바이스로 전송하는 단계; 재활운동 중이나 재활운동 게임 중 측정 과정에서 호스트 디바이스가 제2 모션 인식 밴드에 송신명령을 전달하면, 상기 제2 모션 인식 밴드가 센서값을 읽어 DCM 필터링 후 공간분할하여 공간에 따라 오일러 각을 산출한 후 밴드 주소, 오일러 각, 택 스위치 값을 상기 호스트 디바이스로 전송하는 단계; 및 호스트 디바이스가 상기 모션 인식 밴드로부터 수신된 데이터들을 이용하여 사용자의 모션을 인식하고, 동작가능범위(ROM: Range Of Motion) 및 상대경계영역(RSA: Relative Surface Area)을 분석하여 수준을 평가함과 아울러 재활운동 프로그램에 사용자의 모션을 반영하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 동작가능범위(ROM: Range Of Motion)는 어께(shoulder)가 굽힘(Flexion), 뻗음(extension), 외전운동(abduction), 내전운동(adduction), 외측회전(external rotation), 내측회전(internal rotation), 수평굽힘(horizontal flexion), 수평뻗음(horizontal extension)으로 세부 구분되어 측정되고, 팔꿈치(elbow)가 굽힘(flexion). 폄(extension)으로 세부 구분되어 측정되며, 팔뚝(forearm)이 회내운동(pronation), 회외운동(supination)으로 세부 구분되어 측정되고, 상기 상대경계영역(RSA: Relative Surface Area)은 도달 작업공간(Reachable Workspace)을 측정하는 지표로써 팔의 가동 범위를 수치화한 것으로, 동작가능범위(ROM)의 측정값을 사용해 손의 위치를 계산하고, 해당 손의 좌표가 찍히는 점들의 궤적에 따라서 경계범위를 계산하여 이 경계범위의 넓이를 구한 후 단위 헤미스피어(Unit Hemisphere)의 넓이로 나누어 0과 1 사이의 값으로 산출하는 것이다.
상기 재활운동 게임은 소정 그림의 작업물에서 모션 인식 밴드를 통해 모션 캡쳐된 사용자의 팔로 사용자가 색을 선택할 수 있는 파레트 영역에서 색을 선택한 후 해당 그림의 블록을 터치하여 해당 색으로 칠하는 컬러링 게임이나 바운스 볼 게임 중 하나이다.
본 발명에 따른 재활 운동 시스템은 모션 인식 디바이스가 착용하기 쉽고 가벼운 밴드형이므로 사용자가 사용하기 편리하고, 게임과 연동되어 재활운동이 자동적으로 이루어지도록 함으로써 흥미를 통해 재활치료의 동기를 부여할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따르면 운동범위지수(ROM:Range Of Motion)와 상대표면영역지수(RSI: Relative Surface Area)를 통해 사용자의 상지 운동범위를 정확하게 측정 및 평가한 후 사용자의 상태에 적합하게 재활운동을 가이드함으로써 전문 재활 치료사의 도움 없이도 상시적으로 재활 운동을 할 수 있는 장점이 있다.
그리고 본 발명에 따르면 시스템의 비용이 저렴하고 설치가 용이하므로 전문적인 치료기관 뿐만 아니라 사용자의 가정에도 개별적으로 설치하여 재활 치료가 항시적으로 이루어지게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 모션 인식 밴드를 이용한 재활운동 시스템의 전체 구성을 도시한 개략도,
도 2는 도 1에 도시된 모션 인식 밴드의 개략 외관 사진,
도 3은 도 1에 도시된 모션 인식 밴드를 도시한 구성 블럭도,
도 4는 도 1에 도시된 셋톱 박스를 개략적으로 도시한 구성 블럭도,
도 5는 본 발명에 따른 모션 인식 밴드를 이용한 재활운동 시스템의 동작 절차를 도시한 순서도,
도 6은 본 발명에 따른 모션 인식 밴드의 동작 순서도,
도 7은 본 발명에 따른 모션 인식 밴드의 공간 인식 범위를 구분한 개념도,
도 8은 본 발명에 따른 모션 인식 밴드와 셋톱 박스의 통신 프로트콜 스택의 예,
도 9는 본 발명에 따른 재활운동 절차를 도시한 순서도,
도 10은 본 발명에 따라 ROM/RSA를 측정하는 화면의 예,
도 11은 본 발명에 따라 측정된 ROM/RSA를 분석하는 화면의 예,
도 12는 본 발명에 따라 분석결과를 평가하는 화면의 예,
도 13은 본 발명에 따른 재활운동 게임의 예인 컬러링 게임 화면의 예,
도 14는 본 발명에 따른 재활운동 게임의 하나인 바운스 볼 화면의 예이다.
본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 본 발명의 바람직한 실시예들에 의하여 보다 명확해질 것이다. 다음의 실시예들은 단지 본 발명을 설명하기 위하여 예시된 것에 불과하며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
먼저, 본 발명의 재활운동 시스템은 주로 사용자의 상지 움직임을 측정, 분석, 평가 후 재활운동을 추천한 후 사용자가 추천 혹은 선택한 재활 운동의 동영상을 제공하여 사용자가 동영상을 따라 정확한 자세를 취하도록 유도하여 운동을 수행하게 하고, 재활 운동 후 다시 측정, 분석, 및 평가 사이클을 반복하여 재활 치료하는 것이다.
이를 위하여 본 발명에서는 사용자의 상지 운동을 동작가능범위(ROM: Range Of Motion)와 상대경계영역(RSA: Relative Surface Area)으로 정의하여 측정 및 분석하는데, ROM은 다음 표 1과 같이 정의한다.
측정범위 세부범위 재활운동 번호




어께(shoulder)


 굽힘(Flexion) 1
뻗음(extension)
외전운동(abduction) 2
내전운동(adduction)
외측회전(external rotation) 3
내측회전(internal rotation)
수평굽힘(horizontal flexion) 4
수평뻗음(horizontal extension)
팔꿈치(elbow)
 굽힘(flexion) 5
폄(extension)
팔뚝(forearm)
 회내운동(pronation) 6
회외운동(supination)
상기 표 1을 참조하면, 동작가능범위(ROM: Range Of Motion)는 어께(shoulder)가 굽힘(Flexion), 뻗음(extension), 외전운동(abduction), 내전운동(adduction), 외측회전(external rotation), 내측회전(internal rotation), 수평굽힘(horizontal flexion), 수평뻗음(horizontal extension)으로 세부 구분되어 측정되고, 팔꿈치(elbow)가 굽힘(flexion), 폄(extension)으로 세부 구분되어 측정되며, 팔뚝(forearm)이 회내운동(pronation), 회외운동(supination)으로 세부 구분되어 측정되는 것을 알 수 있다.
또한 RSA(Relative Surface Area)란 도달 작업공간(Reachable Workspace)을 측정하는 지표로써 팔의 가동 범위를 수치화한 것이며. 측정하는 방법은 Shoulder Flexion /Extension / Abduction / Adduction / External Rotation / Internal Rotation / Horizontal Flexion / Horizontal Extension의 ROM 수치를 사용해 손의 위치를 계산하고, 해당 손의 좌표가 찍히는 점들의 궤적에 따라서 경계범위를 계산하는 것이다. 그리고 이에 따라 경계범위의 넓이를 구하여 Unit Hemisphere의 넓이와 나누어 주어 0 과 1 사이의 값을 얻는데, 이를 Relative Surface Area 라 칭한다.
그리고 본 발명의 재활운동 시스템은 사용자의 상지 움직임을 감지하기 위한 모션 밴드와, 모션 밴드를 통해 감지된 사용자의 움직임을 ROM/RSA 지수로 측정하여 분석 및 평가한 후 재활운동이나 재활운동 게임을 추천하고 운동결과를 다시 측정하여 재활운동을 가능하게 하는 호스트 디바이스로 이루어진다. 호스트 디바이스는 디스플레이 수단을 갖는 컴퓨터 단말로도 구현될 수 있으나 본 발명의 실시예에서는 TV나 모니터에 연결되는 셋톱 박스 형태를 예로 들어 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 모션 인식 밴드를 이용한 재활운동 시스템의 전체 구성을 도시한 개략도이고, 도 2는 도 1에 도시된 모션 인식 밴드의 개략 외관 사진이고, 도 3은 도 1에 도시된 모션 인식 밴드의 구성 블럭도이며, 도 4는 도 1에 도시된 셋톱 박스의 개략 구성 블럭도이다.
본 발명의 실시예에 따른 모션 인식 밴드를 이용한 재활운동 시스템(10)은 도 1에 도시된 바와 같이, 사용자의 손목이나 팔에 착용하여 사용자 상지(上肢)의 움직임을 감지하기 위한 복수의 모션 인식 밴드(100-1,100-2)와, 모션 인식 밴드(100-1,100-2)와 블루투스 방식의 무선으로 통신하여 사용자의 움직임을 인식하여 재활운동과 관련된 응용 프로그램을 실행하는 셋톱 박스(200)와, 셋톱 박스(200)에서 출력되는 영상을 디스플레이하기 위한 디스플레이 장치(300)로 구성된다.
도 1을 참조하면, 모션 인식 밴드(100-1,100-2)는 사용자의 좌/우측 손목이나 팔 등의 상지(上肢)에 착용할 수 있도록 되어 있고, 셋톱박스(200)와는 블루투스 방식으로 무선 통신할 수 있도록 되어 있다. 셋톱박스(200)는 유무선을 통해 별도의 디스플레이 장치(300; 예컨대, 모니터나 TV 등)와 연결될 수 있고, 프로젝션 기능이 있는 경우에는 스크린에 디스플레이할 수도 있다.
이러한 모션 인식 밴드(100)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본체 하우징(102)과 착용을 위한 밴드(104)로 이루어지고, 본체 하우징(102)의 내부에는 사용자의 모션을 감지하기 위한 관성센서(110; IMU)와, 조작을 위한 스위치 패널(120)과, 전체 동작을 제어하기 위한 마이크로컨트롤러(MCU; 130)와, 전원부(140), 및 블루투스 모듈(150)이 배치되어 있다.
도 3을 참조하면, 관성센서(IMU:Inertial Measurement Unit; 110)는 각속도를 감지하기 위한 자이로 센서(112)와 가속도를 감지하기 위한 가속도 센서(114), 및 지자계를 감지하기 위한 지자계 센서(116)로 이루어져 사용자의 자세 데이터를 감지하여 MCU(130)로 전달한다. 즉, 관성센서(110)는 이동물체의 속도와 방향, 중력, 가속도를 측정하는 장치로서, 가속도계, 각속도계, 지자기계를 이용하여 이동물체의 움직임 상황을 인식하는 것이다.
스위치 패널(120)은 좌측 팔의 운동을 알려주기 위한 좌측 택트 스위치(122)와 전원 및 OK 택트 스위치(124), 우측 팔의 운동을 알려주기 위한 우측 택트 스위치(126)로 이루어져 사용자의 조작을 감지하여 MCU(130)로 전달한다.
전원부(140)는 배터리(142)와 충전기(144)로 이루어져 각부에 전원을 공급하고, 블루투스 모듈(150)은 블루투스 프로토콜에 따라 셋톱박스의 블루투스 모듈(210)과 무선으로 통신한다.
MCU(130)는 나중에 자세히 설명하는 바와 같이, 관성센서(110)를 초기화하고 관성센서의 감지 데이터를 입력받아 필터링 후 영역에 따라 오일러 각을 산출하여 좌/우 택트 스위치 정보와 함께 셋톱박스(200)로 전송한다.
다시 도 1을 참조하면, 셋톱박스(200)는 도 4에 도시된 바와 같이, 모션 인식 밴드(100-1,100-2)와 통신하기 위한 블루투스 모듈(210)과, 안드로이드나 윈도우, 리눅스 등과 같은 운영체계(OS)와 본 발명에 따른 재활운동 응용 프로그램이 탑재된 컴퓨터부(220)로 구성되고, 컴퓨터부(220)는 블루투스를 통해 수신된 데이터를 시리얼 프로세싱(221)을 거쳐 입력받고, 나중에 자세히 설명하는 바와 같이 응용 프로그램을 실행하여 모션을 인식한 후(222), ROM/RSA 분석(223)을 거쳐 해당 프로그램에 적용하여 재활운동이나 재활운동 게임을 실행(224)시킨다.
이와 같이 구성되는 본 발명에 따른 시스템의 전체 동작을 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명에 따른 모션 인식 밴드를 이용한 재활운동 시스템의 동작 절차를 도시한 순서도이다.
도 5를 참조하면, 사용자는 본 발명에 따른 모션 인식 밴드(100-1,100-2)를 우측이나 좌측의 속목과 팔에 각각 착용하고, 전원을 켠 후 착용 팔에 따라 좌측 택트 스위치(122)나 우측 택트 스위치(126)를 누른다. 셋톱박스(200)의 전원을 켜면 프로그램이 실행되고 필요시 초기설정을 실행한다(S1). 초기설정은 최초 사용자일 경우 아이디(ID)를 설정하고 ROM/RSA를 측정하여 분석 및 평가한 후 재활운동을 추천하는 과정을 포함할 수 있다.
초기화가 이루어지고, 필요한 초기설정 후 사용자가 선택한 재활운동 동영상이나 재활운동게임을 실행하고, 이에 따라 사용자는 재활운동이나 재활운동 게임을 실행한다(S2,S3).
재활 운동 후 측정 과정에서 셋톱박스(200)가 제1 모션 인식 밴드(100-1)에 송신명령을 전달하면, 제1 모션 인식 밴드는 센서값을 읽어 DCM 필터링 후 공간분할하여 공간에 따라 오일러 각을 산출하여 모션을 감지한다(S5). 이어 도 6에 도시된 바와 같이, 시작 헤드, 밴드 주소, 오일러 각, 택 스위치 값, 종료 트레일러로 패킷을 생성하여 제1 모션 인식 밴드의 데이터를 셋톱박스로 전송한다(S6,S7).
이어 셋톱박스(200)가 제2 모션 인식 밴드(100-2)에 송신명령을 전달하면, 제2 모션 인식 밴드는 센서 값을 읽어 DCM 필터링 후 공간 분할하여 공간에 따라 오일러 각을 산출하여 모션을 감지한다(S8,S9). 제2 모션 인식 밴드(100-2)는 시작 헤드, 밴드 주소, 오일러 각, 택 스위치 값, 종료 트레일러로 패킷을 생성하여 제2 모션 인식 밴드의 데이터를 셋톱박스(200)로 전송한다(S10,S11).
이후 셋톱박스(200)는 모션 인식 밴드(100-1,100-2)로부터 수신된 데이터들을 이용하여 사용자의 모션을 인식하고, ROM/RSA 분석 후 재활운동 프로그램에 사용자의 모션을 반영한다(S12~S14).
도 6은 본 발명에 따른 모션 인식 밴드의 동작 순서도이고, 도 7은 본 발명에 따른 모션 인식 밴드의 공간을 분할하는 개념도이며, 도 8은 본 발명에 따른 모션 인식 밴드와 셋톱 박스의 통신 프로트콜 스택의 예이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 모션 인식 밴드(100)의 전원이 온되면, MCU(130)는 프로그램을 실행하여 관성센서(110)를 초기화하고, 센서 값을 읽어온 후 DCM(Direction Cosine Matrix) 필터(Filter)를 사용하여 센서의 3차원 각도 값을 융합 및 결과 도출한다(S101~S103).
또한 IMU 센서 값은 중력 가속도와 평행한 축의 경우 회전값 산출이 불가능하므로 도 7에 도시된 바와 같이 DCM 필터링 후 가속도 값을 기준으로 운동공간을 6개로 분할하여 범위를 각각 지정한다(S104). 도 7을 참조하면, X, Y, Z 축으로 이루어진 3차원 공간이 분할되어 범위 1 내지 범위 6으로 지정된 것을 알 수 있다.
그리고 지정된 범위에 따라 S105 내지 S116에 따른 알고리즘이 수행되어 오일러 각을 산출하게 된다.
예컨대, 범위1(Range of 1)에 속할 경우 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 자이로센서와 가속도센서의 합산된 x축 각도값(GA_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 자이로센서와 가속도센서의 합산된 y축 각도값(GA_yAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 지자계센서의 z축 각도값(M_zAngle)이다(S105,S106).
범위2(Range of 2)에 속할 경우 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 지자계센서의 - z축 각도값(-M_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 자이로센서와 가속도센서의 합산된 y축 각도값(GA_yAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 자이로센서와 가속도센서의 합산된 z축 각도값(GA_zAngle)이다(S107,S108).
범위3(Range of 3)에 속할 경우 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 자이로센서와 가속도센서의 합산된 x축 각도값(GA_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 자이로센서와 가속도센서의 합산된 y축 각도값(GA_yAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 지자계센서의 - z축 각도값(-M_zAngle)이다(S109,S110).
범위4(Range of 4)에 속할 경우 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 지자계센서의 x축 각도값(M_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 자이로센서와 가속도센서의 합산된 y축 각도값(GA_yAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 자이로센서와 가속도센서의 합산된 z축 각도값(GA_zAngle)이다(S111,S112).
범위5(Range of 5)에 속할 경우 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 자이로센서와 가속도센서의 합산된 x축 각도값(GA_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 지자계센서의 -y축 각도값(-M_yAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 자이로센서와 가속도센서의 합산된 z축 각도값(GA_zAngle)이다(S113,S114).
범위6(Range of 6)에 속할 경우 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 자이로센서와 가속도센서의 합산된 x축 각도값(GA_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 지자계센서의 z축 각도값(M_zAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 자이로센서와 가속도센서의 합산된 z축 각도값(GA_zAngle)이다(S115,S116).
이어 도 8에 도시된 프로토콜 패킷 구조에 따라 오일러 각과 택트 스위치 값을 패킷으로 조립하여 셋톱박스(200)로 전송한다(S117,S118). 도 8을 참조하면, STX는 패킷의 시작을 알리는 헤드이고, Band address는 각 모션 인식 밴드의 혼선을 피하기 위한 밴드 디바이스의 주소이며, Euler Angle Value(X,Y,Z)는 앞서 구한 오일러 각이고, Tact switch Value는 좌측 팔이나 우측 팔을 구분하기 위한 좌/우측 택트 스위치값이다. 그리고 EXT는 패킷의 종료를 나타내는 트레일러이고, 필요시 전송 에러를 체크하기 위한 코드(CRC) 등이 부가될 수도 있다.
도 9a 내지 9c는 본 발명에 따른 재활 운동 절차를 도시한 순서도이고, 도 10은 본 발명에 따라 ROM/RSA를 측정하는 화면의 예, 도 11은 본 발명에 따라 측정된 ROM/RSA를 분석하는 화면의 예, 도 12는 본 발명에 따라 분석결과를 평가하는 화면의 예, 도 13은 본 발명에 따른 재활운동 게임의 예인 컬러링 게임 화면의 예이고, 도 14는 본 발명에 따른 재활운동 게임의 하나인 바운스 볼 화면의 예이다.
도 9a 내지 도 9c를 참조하면, 셋톱박스(200)에서 프로그램이 실행되면 모션 인식 밴드(Moti-Band ;100-1,100-2)와 셋톱박스(Sst-top computer;200)를 블루투스로 연결한다(S201).
이어 메뉴를 선택할 수 있는 초기화면이 표시되거나 등록된 아이디(ID)가 표시되어 아이디(ID)를 선택할 수 있는데, 최초 사용자일 경우 S202 내지 S207의 등록절차를 수행할 필요가 있다. 필요시 등록 후 메뉴에서 아이디(ID)를 선택하거나 프로그램을 종료할 수도 있다.
아이디(ID)를 등록할 경우 먼저 사용자를 식별하기 위한 고유의 아이디를 생성하고, 아이디와 성별을 입력한 후 ROM과 RSA를 측정한다(S202~S204). ROM 측정은 앞서 설명한 표 1과 같이 어께, 팔꿈치, 팔뚝으로 구분하여 세부항목을 측정하는데, 본 발명의 실시예에서는 이를 6개의 재활운동으로 구분하여 1 내지 6으로 재활운동 번호를 부여하여 구분하였다. 이와 같이 ROM을 측정하고 RSA를 산출하는 화면의 예는 도 10에 도시된 바와 같다.
이어 측정한 ROM/RSA 데이터로 해당 ID의 초기레벨을 계산하고 데이터를 저장한다(S205). 그리고 ROM/RSA 데이터 값을 분석 및 평가하고, 해당 데이터를 바탕으로 재활운동을 추천한다(S206,S207). ROM/RSA 데이터 값을 분석하는 예는 도 11에 도시된 바와 같고, ROM/RSA 데이터 값을 평가하는 예는 도 12에 도시된 바와 같다.
한편, 이미 아이디가 등록되어 아이디를 선택할 경우에는 재활운동, 재활운동게임, 기록, 설정 등을 선택하기 위한 메뉴가 표시될 수 있다(S208). 본 발명의 실시예에서 재활운동은 앞서 설명한 바와 같이 어께, 팔꿈치, 팔뚝으로 구분하여 번호 1 내지 6으로 구분되어 있고, 추천된 재활운동이 추천 l 내지 추천 3과 같이 표시될 수 있다(S210~S214).
재활운동을 선택하면 해당 운동의 동영상이 표시되어 사용자가 동영상을 보면서 운동을 할 수 있고, 운동 중에는 앞서 설명한 바와 같이 ROM/RSA 측정, 분석 및 평가 과정이 수행된다. 그리고 확보된 각각의 ROM/RSA 데이터 분석 및 평가에 의해 해당 아이디의 레벨이 다시 계산되며, 관련 데이터들이 저장된다(S215,S216).
초기 메뉴화면에서 기록을 선택하게 되면, 해당 아이디의 레벨 값, ROM/RSA 값, 날짜별 ROM/RSA 수준 등이 표시되어 자신의 기록을 확인할 수 있고, 필요시 해당 아이디의 ROM/RSA를 재측정한 후 데이터를 분석 및 평가하여 해당 데이터를 바탕으로 재활운동을 다시 추천할 수 있다(S230~S235).
또한 초기 메뉴화면에서 설정을 선택하게 되면, 소리, 조명 등을 조절하거나 WiFi 등을 설정할 수 있다(S240~S247).
다른 한편, 사용자가 재활운동 게임을 선택하면 실시 가능한 게임 목록을 표시하여 재활운동 게임을 선택할 수 있게 한다(S220). 본 발명의 실시예에서는 도 13a 및 도 13b에 도시된 바와 같은 컬러링(Coloring) 게임(S300-1)을 하나의 예로 들어 설명하고 있으나 도 14에 도시된 바와 같은 바운스 볼(Bounce Ball)이나 다른 다양한 재활운동 게임들(S300-2,S300-3)이 모듈화되어 확장 가능하게 구성될 수 있다.
컬러링 게임을 선택한 경우, 도 9c에 도시된 바와 같이 설정 항목에서 작업물 초기화 및 업데이트를 할 수 있고, collection 항목에서 최근 작업을 열람하거나 날짜별로 작업물을 열람할 수 있다(S301~S304).
그리고 카테고리 선택항목에서 기본적으로 제공되는 기본 작업물과, 명작, 도시별 랜드마크 등의 작업물을 선택할 수 있다(S310,S320,S330).
기본 작업물에는 그림 1 내지 그림 3의 작업물(S311,S316,S317)이 있고, 각 작업물에 대해 동일한 절차를 수행할 수 있다. 예컨대, 도 13a에 도시된 바와 같은 거북이 그림(312)의 작업물에서 본 발명에 따른 모션 인식 밴드(100-1,100-2)를 통해 모션 캡쳐된 사용자의 팔(311)로 사용자가 색을 선택할 수 있는 파레트 영역(313)에서 색을 선택한 후 사용자가 칠하게 될 그림(312)의 블록을 터치하여 해당 색으로 칠하게 된다.
이를 위해 질감 및 채도를 선택하여 컬러링 게임을 수행하고, 게임 후 생기는 ROM/RSA 데이터로 해당 아이디의 레벨을 계산하여 부여하고, 사용자는 직전의 레벨이나 ROM 데이터와 새로 생성된 데이터를 비교하여 운동(치료) 수준을 확인할 수 있다(S311~S315).
이상에서 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
100-1,100-2: 모션 인식 밴드 102: 본체
104: 밴드 110: IMU
112: 자이로센서 114: 각속도센서
116: 지자계센서 120: 조작 패널
130: MCU 140: 전원부
150,210: 블루투스 모듈 200: 셋톱박스
300: 디스플레이장치 220: 컴퓨터부

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 사용자의 손목이나 팔에 착용하여 사용자의 상지 움직임을 감지하기 위한 복수의 모션 인식 밴드(100-1,100-2)와, 상기 모션 인식 밴드(100-1,100-2)와 무선으로 통신하여 사용자의 상지 움직임을 동작가능범위(ROM: Range Of Motion)와 상대경계영역(RSA: Relative Surface Area)으로 측정 및 평가하여 사용자에게 적합한 재활운동을 추천하는 호스트 디바이스를 포함하는 모션 인식 밴드를 이용한 재활운동 시스템에 있어서,
    상기 호스트 디바이스는
    디스플레이 수단을 갖는 컴퓨터 단말이나 디스플레이 수단에 연결되는 셋톱 박스 형태로 이루어지고,
    상기 모션 인식 밴드는
    자이로 센서(112)와 가속도 센서(114)와 지자계 센서(116)로 이루어져 사용자의 모션을 감지하기 위한 관성센서(IMU;110)와,
    좌측 상지 운동인지 우측 상지 운동인지를 입력하기 위한 스위치 패널(120)과,
    상기 호스트 디바이스와 통신하기 위한 통신수단과,
    상기 관성센서의 감지 데이터를 입력받아 필터링 후 소정의 알고리즘에 따라 오일러 각을 산출하여 좌/우 상지 정보와 함께 패킷으로 조립하여 상기 통신수단을 통해 상기 호스트 디바이스로 전송하기 위한 마이크로컨트롤러(130)로 구성되어
    필터링 후 가속도 값을 기준으로 운동공간을 6개로 분할하여 범위 1 내지 범위 6으로 지정하고,
    범위1에 속할 경우 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 자이로센서와 가속도센서의 합산된 x축 각도값(GA_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 자이로센서와 가속도센서의 합산된 y축 각도값(GA_yAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 지자계센서의 z축 각도값(M_zAngle)으로 산출하고,
    범위2에 속할 경우 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 지자계센서의 - z축 각도값(-M_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 자이로센서와 가속도센서의 합산된 y축 각도값(GA_yAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 자이로센서와 가속도센서의 합산된 z축 각도값(GA_zAngle)으로 산출하며,
    범위3에 속할 경우 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 자이로센서와 가속도센서의 합산된 x축 각도값(GA_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 자이로센서와 가속도센서의 합산된 y축 각도값(GA_yAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 지자계센서의 - z축 각도값(-M_zAngle)으로 산출하고,
    범위4에 속할 경우 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 지자계센서의 x축 각도값(M_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 자이로센서와 가속도센서의 합산된 y축 각도값(GA_yAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 자이로센서와 가속도센서의 합산된 z축 각도값(GA_zAngle)으로 산출하며,
    범위5에 속할 경우 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 자이로센서와 가속도센서의 합산된 x축 각도값(GA_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 지자계센서의 -y축 각도값(-M_yAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 자이로센서와 가속도센서의 합산된 z축 각도값(GA_zAngle)으로 산출하고,
    범위6에 속할 경우 오일러 각의 x축 각도(xAngle)는 자이로센서와 가속도센서의 합산된 x축 각도값(GA_xAngle)이고, 오일러 각의 y축 각도(yAngle)는 지자계센서의 z축 각도값(M_zAngle)이며, 오일러 각의 z축 각도(zAngle)는 자이로센서와 가속도센서의 합산된 z축 각도값(GA_zAngle)으로 산출하는 것을 특징으로 하는 모션 인식 밴드를 이용한 재활운동 시스템.
  5. 사용자의 손목이나 팔에 착용하여 사용자의 상지 움직임을 감지하기 위한 복수의 모션 인식 밴드(100-1,100-2)와, 상기 모션 인식 밴드(100-1,100-2)와 무선으로 통신하여 사용자의 상지 움직임을 동작가능범위(ROM: Range Of Motion)와 상대경계영역(RSA: Relative Surface Area)으로 측정 및 평가하여 사용자에게 적합한 재활운동을 추천하는 호스트 디바이스로 이루어진 재활운동 시스템의 재활운동 방법에 있어서,
    상기 호스트 디바이스가 최초 사용자일 경우 아이디(ID)를 설정하고 ROM/RSA를 측정하여 분석 및 평가한 후 재활운동을 추천하는 단계;
    사용자의 선택에 의해 재활운동이나 재활운동 게임을 실행하는 단계;
    재활운동 중이나 재활운동 게임 중 측정 과정에서 호스트 디바이스가 제1 모션 인식 밴드(100-1)에 송신명령을 전달하면, 상기 제1 모션 인식 밴드가 센서값을 읽어 DCM 필터링 후 공간분할하여 공간에 따라 오일러 각을 산출한 후 밴드 주소, 오일러 각, 택 스위치 값을 상기 호스트 디바이스로 전송하는 단계;
    재활운동 중이나 재활운동 게임 중 측정 과정에서 호스트 디바이스가 제2 모션 인식 밴드(100-2)에 송신명령을 전달하면, 상기 제2 모션 인식 밴드가 센서값을 읽어 DCM 필터링 후 공간분할하여 공간에 따라 오일러 각을 산출한 후 밴드 주소, 오일러 각, 택 스위치 값을 상기 호스트 디바이스로 전송하는 단계; 및
    호스트 디바이스가 상기 모션 인식 밴드로부터 수신된 데이터들을 이용하여 사용자의 모션을 인식하고, 동작가능범위(ROM: Range Of Motion) 및 상대경계영역(RSA: Relative Surface Area)을 분석하여 수준을 평가함과 아울러 재활운동 프로그램에 사용자의 모션을 반영하는 단계를 포함하는 모션 인식 밴드를 이용한 재활운동 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 동작가능범위(ROM: Range Of Motion)는
    어께(shoulder)가 굽힘(Flexion), 뻗음(extension), 외전운동(abduction), 내전운동(adduction), 외측회전(external rotation), 내측회전(internal rotation), 수평굽힘(horizontal flexion), 수평뻗음(horizontal extension)으로 세부 구분되어 측정되고,
    팔꿈치(elbow)가 굽힘(flexion). 폄(extension)으로 세부 구분되어 측정되며,
    팔뚝(forearm)이 회내운동(pronation), 회외운동(supination)으로 세부 구분되어 측정되고,
    상기 상대경계영역(RSA: Relative Surface Area)은
    도달 작업공간(Reachable Workspace)을 측정하는 지표로써 팔의 가동 범위를 수치화한 것으로, 동작가능범위(ROM)의 측정값을 사용해 손의 위치를 계산하고, 해당 손의 좌표가 찍히는 점들의 궤적에 따라서 경계범위를 계산하여 이 경계범위의 넓이를 구한 후 단위 헤미스피어(Unit Hemisphere)의 넓이로 나누어 0과 1 사이의 값으로 산출하는 것을 특징으로 하는 모션 인식 밴드를 이용한 재활운동 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 재활운동 게임은
    소정 그림의 작업물에서 모션 인식 밴드를 통해 모션 캡쳐된 사용자의 팔로 사용자가 색을 선택할 수 있는 파레트 영역에서 색을 선택한 후 해당 그림의 블록을 터치하여 해당 색으로 칠하는 컬러링 게임이나 바운스 볼 게임 중 하나인 것을 특징으로 하는 모션 인식 밴드를 이용한 재활운동 방법.
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